AKTYWACJA LOTNYCH POPIOŁÓW FLUIDALNYCH I SORBENTÓW WAPNIOWYCH NOWE ZASTOSOWANIA

Transkrypt

1 Energomar-Nord Sp. z o.o. ul. Księcia Bolesława 1/ Warszawa tel fax mgr inż. Jacek Maślanka mgr inż. Katarzyna Ziarkowska AKTYWACJA LOTNYCH POPIOŁÓW FLUIDALNYCH I SORBENTÓW WAPNIOWYCH NOWE ZASTOSOWANIA Streszczenie: Referat prezentuje najnowsze osiągnięcia i zastosowania technologii oferowanych przez firmę Energomar-Nord. Wykorzystanie lotnych popiołów fluidalnych w różnych gałęziach gospodarki głównie w szeroko pojętym budownictwie. Przedstawione są również najciekawsze aktualnie prowadzone prace badawcze mające na celu szersze zastosowanie produktu, jakim jest Flubet, w praktyce inżynierskiej. 1. WSTĘP Lotne popioły fluidalne będąc uciążliwym odpadem produkcyjnym, są jednocześnie wartościowym surowcem, który po odpowiednim przetworzeniu staje się znakomitym produktem możliwym do wykorzystania w różnych gałęziach gospodarki głównie w szeroko pojętym budownictwie (drogownictwo, geotechnika, hydrotechnika). Sorbenty wapniowe stosowane do redukcji tlenków siarki w spalinach stosowane są w elektrowniach w ilościach masowych. Zmniejszając ich użycie można osiągnąć znaczne obniżenie kosztów oraz ograniczyć niekorzystny wpływ na środowiska wynikający ze zużycia nieodnawialnych zasobów kamienia wapiennego. Oferowana przez firmę Energomar-Nord technologia i metoda przetwarzania lotnych popiołów fluidalnych i sorbentów wapniowych znalazła już zastosowania w obu tych dziedzinach.

2 2. BUDOWNICTWO Poza typowym użyciem aktywowanego popiołu lotnego z kotłów fluidalnych (Flubetu) jako dodatku do betonu zastępującego 20% masy cementu [1], ostatni rok przyniósł nam nowe zastosowania tego materiału budowlanego w geotechnice. Pierwsze badania przydatności Flubetu do zawiesin twardniejących wykonano w Instytucie Zaopatrzenia w Wodę i Budownictwa Wodnego Politechniki Warszawskiej [2, 6]. Zastosowanie Flubetu do zawiesin twardniejących nie spowodowało zmian parametrów technologicznych i wytrzymałościowych zawiesiny cementowo-bentonitowo-popiołowo-wodnej w stanie płynnym i stwardniałym. Pojawiło się pytanie: jak taka zawiesina zachowa się w praktyce? W tym celu podjęto współpracę z firmą, która zajmuje się wykonawstwem m.in. ścianek berlińskich. Przed użyciem na budowie wykonano badania in situ. Badania te potwierdziły wcześniejsze wyniki. Potem na podstawie już sprawdzonej recepty wykonano tego typu zabezpieczenie na budowie w Warszawie. W przypadku tej budowy, dzięki zastosowaniu Flubetu, obniżono koszty materiałów o około 60%. Kolejnym wdrożeniem jest zastosowanie Flubetu do iniekcyjnego wzmacniania gruntu na terenie budowy autostrady A4 (rysunek nr 1). Rysunek 1. Maszyna do wykonywania wzmacniania gruntu metodą Jet Grouting 2

3 Na tej budowie Flubet jest stosowany jako środek stabilizujący. Zastępuje on 20% masy cementu w zaczynie iniekcyjnym. Dotychczasowe badania i aprobaty techniczne dopuszczają na dozowanie Flubetu w ilości 20% masy cementu, jednak ostatnie badania zlecone Instytutowi Badawczemu Dróg i Mostów wykazują, że w przypadku tego typu zastosowań Flubetem będzie można zastąpić do 60% masy cementu [4]. Biorąc pod uwagę plany dotyczące rozwoju sieci autostrad w Polsce, Flubet może stać się powszechnie używanym składnikiem począwszy od materiału do stabilizacji a skończywszy na betonie nawierzchniowym (w przypadku dróg betonowych). 3. SORBENTY WYSOKOREAKTYWNE Metoda EMDC jest również wykorzystywana w energetyce do aktywacji sorbentów wapniowych. W tym przypadku mechaniczna aktywacja powoduje poprawę stopnia wykorzystania sorbentu. Badania prowadzone na Politechnice Częstochowskiej wykazały, iż mechaniczna aktywacja sorbentu powoduje zmniejszenie wskaźnika reaktywności RI, a co za tym idzie sorbenty poddane procesowi aktywacji należą do klasy sorbentów znakomitych (RI<2,5) [3]. Jednak najlepsze wskaźniki reaktywności uzyskano dla mieszanek sorbentu i popiołu. Mechaniczna aktywacja metoda EMDC podziarna kamienia wapiennego z popiołem zwiększa do 30% stopień konwersji [5], a więc prawidłowe odsiarczanie kotła fluidalnego przestaje być zależne od krzywej przemiału sorbentu, tak rygorystycznie egzekwowanej przez producentów kotłów. Użytkownik kotła może ten warunek gwarancyjny po prostu odrzucić. Zastosowanie do odsiarczania mieszanin kamienia wapiennego z popiołem lotnym pozwala na wywołanie głębokich zmian w strukturze porów zarówno sorbentów, jak i popiołu lotnego, ponadto umożliwia wykorzystanie zawartego w popiele lotnym CaO w procesie odsiarczania. W Elektrowni Turów w tym roku została uruchomiona pierwsza instalacja doprowadzającą sorbent aktywowany do kotła fluidalnego. Sorbent wprowadzono do komory paleniskowej współprądowo to znaczy w taki sposób by jego cząsteczki nie zostały porywane w górę komory paleniskowej, lecz pozostawały w masie popiołu zsuwającego się do komory paleniskowej kotła i brały w całości aktywny udział w reakcjach chemicznych zachodzących w trakcie odsiarczania spalin. Sposób ten został opatentowany. Instalacja doprowadzająca mieszaninę sorbentu i popiołu lotnego składa się z urządzenia aktywującego mieszaninę sorbentu i lotnego popiołu fluidalnego, które jest wyposażone we 3

4 wsyp, armaturę, doprowadzenie powietrza transportowego, aparat wydmuchowy. Schemat takiej instalacji został przedstawiony na rysunku nr 2. LEGENDA 1. Zbiornik przesypowy mączki kamienia wapiennego 2. Zbiornik przesypowy popiołu 3. Rynna aeracyjna 4. Zbiornik mieszaniny kamienia wapiennego i popiołu 5. Aktywator wdmuch sorbentu do kotła transport sorbentu Rysunek 2. Schemat instalacji doprowadzającej mieszaninę sorbentu i lotnego popiołu fluidalnego do kotła fluidalnego Po przeprowadzeniu badań okazało się, że przy zastosowaniu instalacji według patentu proces odsiarczania spalin jest wysoce skuteczny (rysunek nr 3). 4

5 Rysunek 3. Pomiary kontrolne instalacji w Turowie. 5

6 Kolejną opatentowaną przez nas technologią jest utylizacja odpadów z półsuchego odsiarczania spalin. Celem było opracowanie takiego sposobu utylizacji odpadów z kotłów energetycznych będących poreakcyjnym produktem odsiarczania spalin metodą półsuchą, który pozwoli wyeliminować konieczność tworzenia uciążliwych dla środowiska naturalnego składowisk. Sposób polega na usuwaniu gazowych tlenków siarki przy wykorzystaniu stałego produktu poreakcyjnego z instalacji odsiarczania spalin metodą półsuchą z dodatkiem popiołu lotnego i sorbentu, mieszaninę tą poddaje się procesowi aktywacji mechanicznej. Otrzymany produkt posiada właściwości sorpcyjne i znajduje zastosowanie jako sorbent do oczyszczania ze związków siarki strumienia gorących gazów spalinowych, zwłaszcza w kotłach fluidalnych lub pyłowych stosujących suche odsiarczanie spalin. Odsiarczanie spalin w kotle energetycznym, sposobem według tego patentu, pozwala na uzyskanie wyższej skuteczności odsiarczania niż przy użyciu samego węglanu wapnia. Ponadto wysoki stopień konwersji tlenku wapnia jak i siarczynów w anhydryt pozwala na bezpieczne składowanie produktów po suchym odsiarczaniu i umożliwia ich przeróbkę. 4. PRACE BADAWCZE Obecnie prowadzimy kilka prac badawczych, z wykorzystaniem techniki mechanicznej aktywacji. Rokującym duże możliwości są: 1. Aktywny dodatek do zawiesin twardniejących na przesłony przeciwfiltracyjne w obiektach ochrony środowiska 2. Wpływ straty prażenia na zmianę parametrów technologicznych betonu. Celem pierwszego projektu jest wdrożenie na dużą skalę Flubetu do budowy przesłon przeciwfiltracyjnych w podłożu gruntowym, chroniących wody podziemne przed zanieczyszczeniem. Pod tym kątem został rozpisany program badawczy. Projekt ten przewiduje badania zawiesin twardniejących z aktywowanym popiołem fluidalnym. Najistotniejszą częścią projektu są badania odporności korozyjnej zawiesin z Flubetem w warunkach filtracji wód zanieczyszczonych (np. odcieki ze składowisk odpadów), albowiem dodatek popiołów konwencjonalnych poprawia odporność korozyjną zawiesin i działanie takie powinien również wykazywać Flubet. Potwierdzenie tej właściwości przyczyni się do szerszego wykorzystania tego rodzaju odpadu. Jego ilość będzie, bowiem 6

7 rosła wraz z korzystną dla stanu środowiska naturalnego rosnącą liczbą palenisk fluidalnych w energetyce. Projekt ten uzyskał dofinansowanie Komitetu Badań Naukowych. Wykonawcą badań stosowanych i prac rozwojowych jest Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Budownictwa Wodnego Politechniki Warszawskiej, częścią wdrożeniowo-inwestycyjną zajmuje się natomiast firma Energomar-Nord. Planowany termin zakończenia projektu r. Celem drugiego z wymienionych projektów jest sprowokowanie ludzi nauki do szerszego zbadania wpływu straty prażenia lotnych popiołów fluidalnych na parametry technologiczne materiałów z ich dodatkiem. Obecnie, jeżeli chodzi o parametr straty prażenia przyjmuje się wg PN-EN 450 wartość do 7,0% masy. Wiadomo też, że w przypadku popiołów konwencjonalnych parametr ten ma istotne znaczenie. Jednak zgłębiając wiedzę na temat popiołów fluidalnych stwierdziliśmy pewne odstępstwa. Prowadzone badania wykazują, że w przypadku Flubetu ten parametr może być znacznie wyższy od dopuszczalnego przyjętego w normie. W tym celu wszystkie pobierane i oznaczane próbki lotnych popiołów fluidalnych z EC Żerań mających duże straty prażenia są ewidencjonowane. Dla każdej z tych próbek zostały przeprowadzone badania straty prażenia i zawartości wolnego CaO (w akredytowanym laboratorium). Wyniki straty prażenia dla poszczególnych próbek wahały się od 7,12% do 16,92% masy. Następnie wykonane zostały zaroby w celu zbadania parametrów wytrzymałościowych oraz zaobserwowania ewentualnych zamian związanych z tak różnymi parametrami straty prażenia. Część wykresów wykorzystanych do analizy przedstawiono na rysunku nr 4 i 5. Łatwo zauważyć, że parametry wytrzymałościowe nie ulegają pogorszeniu, ale wręcz odwrotnie polepszeniu wraz ze wzrostem straty prażenia. Jest to tym bardziej zaskakujące, że przeczy to rozpowszechnionym stereotypom o szkodliwości zwiększonych ilości węgla. 7

8 wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach dojrzewania [MPa] 46,0 44,0 42,0 y = 4,3043Ln(x) + 29,234 40,0 38,0 36,0 34,0 32,0 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 strata prażenia [% masy] wytrzymałość na ściskanie po 90 dniach dojrzewania [MPa] 60,0 55,0 50,0 y = 0,3176Ln(x) + 46,652 45,0 40,0 35,0 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 strata prażenia [% masy] Rysunek 4. Wykresy przedstawiające zależność między parametrem straty prażenia wyrażonej w % masy, a wytrzymałością na ściskanie po 28 i 90 dniach wyrażoną w MPa 8

9 Rysunek 5. Zależność ukazująca wpływ zmiany straty prażenia i wolnego CaO na wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach dojrzewania Lotne popioły konwencjonalne różnią się od lotnych popiołów fluidalnych strukturą ziaren, które w przypadku pierwszych są większe i zeszklone. Ziarna wchodzące w skład lotnych popiołów fluidalnych są mniejsze, mają bardziej nieregularne kształty i są miękkie. Na Politechnice Częstochowskiej zostały wykonane badania określające zawartość węgla w poszczególnych frakcjach lotnego popiołu fluidalnego. Po analizach okazało się, że w przypadku tego popiołu największa ilość węgla jest we frakcjach najdrobniejszych w przeciwieństwie do popiołów konwencjonalnych. Proces aktywacji mechanicznej metodą EMDC obok zwiększania powierzchni właściwej powoduje powstawanie nowych mikropęknięć, a także potęguje rozwijanie się powierzchni pęknięć już istniejących, co przyczynia się do procesu rozdrabniania. Dzięki tym różnicom w strukturze ziaren, materiały wykonywane na bazie Flubetu są prawdopodobnie mniej porowate, co może być jedną z przyczyn uzyskiwania tak zadowalających wyników, jeżeli chodzi o parametry wytrzymałościowe. Obecnie zbieramy informację dotyczące samej struktury popiołów konwencjonalnych i popiołów fluidalnych w celu dokładniejszego wytłumaczenia takiego stanu rzeczy. Badania te mogą być podstawą dla ewentualnych zmian w dokumentach dopuszczających Flubet do stosowania w budownictwie. 9

10 Literatura: [1] Glinicki M.A. Instytut Podstawowych Problemów Techniki, Polskiej Akademii Nauk Wpływ dodatku aktywowanych popiołów lotnych ze spalania fluidalnego na właściwości betonów konstrukcyjnych, VIII Międzynarodowa Konferencja Popioły z energetyki, Międzyzdroje 2001r. [2] Kledyński Z., Ziarkowska K. Badania wstępne nad wykorzystaniem popiołów fluidalnych do zawiesin twardniejących w obiektach ochrony środowiska, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk vol. 11, I Kongres Inżynierii Środowiska, Lublin 2002r. [3] Nowak W., Bis Z., Szymanek A., Radecki M.: Opracowanie koncepcji procesu domielania sorbentu drobnego w Elektrowni Turów. Grudzień 2000 r. [4] Sprawozdanie z badań Sprawdzenie możliwości wykorzystania aktywowanego popiołu fluidalnego Flubet jako dodatku do zaczynu cementowego stosowanego przy wzmacnianiu metodą Jet Grouting, Instytut Badawczy Dróg i Mostów [5] Szymanek Arkadiusz Sorbenty dla energetyki, Targi Ecoenergia (materiały konferencyjne), Gdańsk 2002r. [6] Ziarkowska Katarzyna Wykorzystanie do zawiesin twardniejących aktywowanego odpadu paleniskowego ze spalania węgla kamiennego w kotle fluidalnym EC Żerań, praca dyplomowa, Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii Środowiska, Warszawa 2001r. 10